CO₂海底地質(zhì)封存技術(shù)基礎(chǔ)理論及現(xiàn)狀分析

李文平

摘 要：全球面臨氣候變暖的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，碳減排已成為國(guó)際上的共識(shí)和行動(dòng)目標(biāo)。CO2海底封存是實(shí)現(xiàn)CO2減排的重要途徑之一，且潛力巨大。我國(guó)對(duì)碳封存技術(shù)研究起步較晚，加之海底封存研究空白，有必要推進(jìn)CO2海底封存技術(shù)研究，開發(fā)海洋存儲(chǔ)能力，加快推進(jìn)碳減排，盡快實(shí)現(xiàn)碳中和。

關(guān)鍵詞：CO2;海底封存;地質(zhì)封存;碳中和

中圖分類號(hào)：X511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）28-0-03

Abstract： The world is facing the severe challenge of climate warming， and carbon emission reduction has become the international consensus and action goal. CO2 sequestration is one of the important ways to realize carbon dioxide emission reduction， and it has great potential. China’s research on carbon sequestration technology started late， and the research on seabed sequestration is blank. It is necessary to promote CO2 seabed sequestration technology research， develop marine storage capacity， accelerate carbon emission reduction and realize carbon neutralization as soon as possible.

Keywords： carbon dioxide;seabed storage;geological storage;carbon neutrality

政府間氣候變化專門委員會(huì)在2007年發(fā)布的報(bào)告（AR4）中明確了全球氣候系統(tǒng)變暖，溫室效應(yīng)受到國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注。其中CO2對(duì)溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)最大，占產(chǎn)生溫室效應(yīng)氣體總量的55%[1-4]?！?020年全球氣候狀況》指出，自有數(shù)據(jù)記錄以來(lái)，2020年是最暖的3個(gè)年份之一?？刂坪蜏p緩CO2排放己經(jīng)成為全球亟待解決的重點(diǎn)問題，且國(guó)際上為此做出了一系列努力。我國(guó)人口眾多，CO2排放量非常大，作為國(guó)際上負(fù)責(zé)任的大國(guó)，我國(guó)積極響應(yīng)《巴黎協(xié)定》，主動(dòng)做出減排承諾并做好一系列工作，以提高國(guó)際形象，減小氣候變化對(duì)我國(guó)乃至全球的危害。所以，深入研究有效對(duì)策來(lái)減緩CO2排放十分必要。

我國(guó)碳減排計(jì)劃已經(jīng)先后列入《國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的第十一個(gè)五年規(guī)劃》和《國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的第十二個(gè)五年規(guī)劃》。工業(yè)和信息化部的公開數(shù)據(jù)指出，2015年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放量比“十一五”末降低了18%以上。可見，控制和減緩CO2排放已經(jīng)取得一定成效。

現(xiàn)階段，主要采用以下措施應(yīng)對(duì)CO2減排問題：①控制溫室氣體排放;②提高能源利用效率;③生態(tài)系統(tǒng)吸附CO2;④CO2海洋處置;⑤CO2地質(zhì)封存。早在20世紀(jì)70年代，國(guó)外就已經(jīng)開始對(duì)碳捕集進(jìn)行相關(guān)研究，隨之產(chǎn)生了CO2捕集和封存（Carbon Capture and Storage，CCS）技術(shù)。CO2捕集、利用與封存（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）技術(shù)在CCS技術(shù)基礎(chǔ)上增加了CO2利用一環(huán)，目前已經(jīng)獲得了國(guó)際上的普遍認(rèn)同。我國(guó)結(jié)合實(shí)際情況，自2006年起出臺(tái)CCUS技術(shù)相關(guān)政策。近年來(lái)，在生態(tài)環(huán)境部、科技部及發(fā)改委等部門的共同推動(dòng)下，CCUS政策及技術(shù)逐步完善。目前，我國(guó)碳減排已呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭，筆者僅針對(duì)CO2海底地質(zhì)封存進(jìn)行研究。

1 CO2海底封存技術(shù)

CCUS是指將CO2從工業(yè)過(guò)程、能源利用或大氣中分離出來(lái)，直接加以利用或注入地層以實(shí)現(xiàn)CO2永久減排的過(guò)程，如圖1所示[1]。CO2封存是指通過(guò)工程技術(shù)手段將捕集的CO2注入深部地質(zhì)儲(chǔ)層，實(shí)現(xiàn)CO2與大氣長(zhǎng)期隔絕[1]，即將CO2壓縮液注入地下巖石構(gòu)造中。CO2封存主要分為兩大類，即陸地封存和海洋封存。

CO2封存地點(diǎn)通常是含流體或曾經(jīng)含流體的多孔巖石構(gòu)造。在沿岸和沿海的沉積盆地中多存在這種合適的封存構(gòu)造。深部咸水層是含地下水的、可滲透的多孔介質(zhì)，可存儲(chǔ)量豐富，且廣泛分布于世界各地。因此，相對(duì)于煤氣田和油田而言，深部咸水層具有更佳的封存潛力和前景。海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)作為陸地地質(zhì)結(jié)構(gòu)的延伸，遠(yuǎn)離蓄水層，表層有海水壓力和阻隔，又有巖石蓋層。因此，CO2可封存在海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)中。

CO2海底地質(zhì)封存技術(shù)是將CO2封存到海底以下的地層儲(chǔ)存體中。大體過(guò)程是將集中捕集的CO2加溫加壓到超臨界狀態(tài)，將形成的高密度流體注入海底深層有不透水層阻隔的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，并使CO2無(wú)法進(jìn)行橫向遷移和側(cè)向遷移。CO2海底地質(zhì)封存的地質(zhì)體主要是廢棄的油氣田和深部咸水層。CO2的臨界點(diǎn)溫度為31.4 ℃，壓強(qiáng)為7.38 MPa。當(dāng)溫度和壓強(qiáng)均高于上述數(shù)值時(shí)，CO2將以超臨界狀態(tài)存在，形成一種高密度流體，兼具氣體和液體的雙重性質(zhì)。這種高密度流體的黏度比液體時(shí)小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，超易流動(dòng)，密度遠(yuǎn)大于自身氣態(tài)的密度，有利于地質(zhì)封存。

2 CO2海底地質(zhì)封存的可行性及發(fā)展前景

在國(guó)際上，中國(guó)具有CO2海底封存權(quán)。2006—2007年，正式通過(guò)的《1972倫敦公約〈1996議定書〉》表明第一個(gè)關(guān)于CO2海底地質(zhì)封存的國(guó)際法規(guī)體系完成。附件I的修正案明確了中國(guó)“獲得CO2海底封存權(quán)”。

在咸水層進(jìn)行CO2封存是切實(shí)可行的，同時(shí)具有廣闊的發(fā)展前景。美國(guó)、加拿大、挪威等國(guó)家開展了較多的CO2海底封存研究與實(shí)踐，證明CO2海底封存具有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的可行性。MARCHETTI C首次提出了CO2海底封存的設(shè)想[5]。在Perspective欄目中，ORR F M對(duì)近海岸地質(zhì)封存方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹[6]，SCHRAG D P對(duì)離岸沉積的封存方法進(jìn)行了詳細(xì)描述[7]。通過(guò)對(duì)北海CCS的分析，HASZELDINE R S認(rèn)為海底地質(zhì)封存相比陸地地質(zhì)封存有可能更加可靠，且更加容易監(jiān)控[8]。SCHRAG D P認(rèn)為，未來(lái)CO2地質(zhì)封存的首要選擇可能是海底封存[7]。一方面，海底地質(zhì)封存的壓力管理過(guò)程比陸地地質(zhì)封存容易。陸地封存技術(shù)是在不提取咸水的情況下直接注入大量CO2，極易導(dǎo)致原有地下壓力失衡，不僅會(huì)造成后續(xù)注入速率減慢，降低總的封存容量，而且會(huì)大大增加CO2泄漏的危險(xiǎn)性。而海底地層中的孔隙流體與海水的化學(xué)組成接近，通過(guò)抽取地層水就可以釋放壓力，避免了陸地地質(zhì)封存壓力失衡導(dǎo)致的一系列問題。排水井也可用于CO2的運(yùn)移和監(jiān)控。另一方面，海底地質(zhì)封存相比陸地地質(zhì)封存對(duì)蓋層封閉性要求更低。海底地質(zhì)封存有一個(gè)天然的海水蓋層，若CO2泄漏，可以避免其直接排放到大氣中。同時(shí)，海水壓力能夠使封存的CO2在地下具有更高的穩(wěn)定性。

我國(guó)有關(guān)學(xué)者開展了一系列研究CO2海底封存的工作，首次提出了“陸上實(shí)驗(yàn)、海底封存”[9]。2006年，巢清塵等系統(tǒng)介紹了CCS概念、流程、對(duì)我國(guó)能源和經(jīng)濟(jì)的影響等問題[10]。張振冬等總結(jié)了國(guó)內(nèi)外主要開展的CO2封存項(xiàng)目，剖析了CO2海底封存技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，研究了我國(guó)CO2海底封存研究進(jìn)展[9]。李洛丹系統(tǒng)概括了CO2海洋封存技術(shù)的進(jìn)展，介紹了2種封存方式的研究現(xiàn)狀和技術(shù)水平，探討了可能給海洋生態(tài)環(huán)境造成的影響[11]。秦長(zhǎng)文等[12]分析了國(guó)內(nèi)外各種CCS示范工程，提出了我國(guó)南方近海海域具有CO2封存的廣闊前景。王小林[13]介紹了CO2海底封存存在的風(fēng)險(xiǎn)及可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成的影響，并從國(guó)際法的層面討論了CO2海底封存與國(guó)際海洋環(huán)境保護(hù)問題。我國(guó)國(guó)家海洋局始終密切跟蹤國(guó)際前沿海底CO2封存技術(shù)和管理方法，于2008年開展了“中國(guó)CO2海底封存能力評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)預(yù)研究”工作，為CO2海底地質(zhì)封存提供了戰(zhàn)略決策和管理技術(shù)。

近幾年的研究結(jié)果表明，CO2海底封存具有一定的技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)可行性。在CO2海底地質(zhì)封存方面，我國(guó)尚處在可行性研究階段。中國(guó)已投運(yùn)或建設(shè)中的CCUS示范項(xiàng)目約為40個(gè)，捕集能力300萬(wàn)t/a，缺乏大規(guī)模的多種技術(shù)組合的全流程工業(yè)化示范項(xiàng)目[1]。碳中和目標(biāo)下，中國(guó)CCUS減排需求為2030年0.20億～4.08億t，2050年6.0億～14.5億t，2060年10.0億～18.2億t[1]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著國(guó)際碳減排任務(wù)的推進(jìn)，作為國(guó)際上負(fù)責(zé)任的大國(guó)，我國(guó)主動(dòng)做出減排承諾。在國(guó)家“雙碳”的目標(biāo)下，CCUS技術(shù)是碳中和不可或缺的一環(huán)，而CO2海底地質(zhì)封存在其中占有重要地位。在我國(guó)CCS和CCUS技術(shù)起步較晚的情況下，需要跟蹤和研究國(guó)外先進(jìn)CO2海底地質(zhì)封存關(guān)鍵技術(shù)，加強(qiáng)國(guó)際合作與交流，為我國(guó)開展CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程提供技術(shù)依據(jù)。

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